- •Конспект лекций
- •От авторов
- •Введение
- •Лекция 1. Электростатика в вакууме и веществе. Электрическое поле
- •1.1. Предмет классической электродинамики
- •1.2. Электрический заряд и его дискретность. Теория близкодействия
- •1.3. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей
- •1.3.1. Границы применимости закона Кулона
- •1.3.2. Принцип суперпозиции электрических полей. Электрическое поле диполя
- •1.4. Поток вектора напряженности электростатического поля
- •1.5. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме
- •1.6. Работа электрического поля по перемещению электрического заряда. Циркуляция вектора напряженности электрического поля
- •1.7. Энергия электрического заряда в электрическом поле
- •1.8. Потенциал и разность потенциалов электрического поля. Связь напряженности электрического поля с его потенциалом
- •1.8.1. Потенциал и разность потенциалов электрического поля
- •1.8.2. Связь напряженности электрического поля с его потенциалом
- •1.9. Эквипотенциальные поверхности
- •1.10. Основные уравнения электростатики в вакууме
- •1.11. Некоторые примеры электрических полей, порождаемых простейшими системами электрических зарядов
- •1.11.1. Электрическое поле, порождаемое бесконечно длинным, равномерно заряженным стержнем
- •1.11.2. Поле бесконечно протяженной, однородно заряженной плоскости
- •1.11.3. Поле двух бесконечно протяженных, равномерно заряженных плоскостей
- •1.11.4. Поле заряженной сферической поверхности
- •1.11.5. Поле объёмно заряженного шара
- •Лекция 2. Проводники в электрическом поле
- •2.1. Проводники и их классификация
- •2.2. Электростатическое поле в полости идеального проводника и у его поверхности. Электростатическая защита. Распределение зарядов в объеме проводника и по его поверхности
- •2.3. Электроемкость уединенного проводника и ее физический смысл
- •2.4. Конденсаторы и их емкость
- •2.4.1. Емкость плоского конденсатора
- •2.4.2. Емкость цилиндрического конденсатора
- •2.4.3. Емкость сферического конденсатора
- •2.5. Соединения конденсаторов
- •2.5.1. Последовательное соединение конденсаторов
- •2.5.2. Параллельное и смешанное соединения конденсаторов
- •2.6. Классификация конденсаторов
- •Лекция 3. Статическое электрическое поле в веществе
- •3.1. Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях
- •3.1.1. Диполь в однородном электрическом поле
- •3.1.2. Диполь в неоднородном внешнем электрическом поле
- •3.2. Свободные и связанные (поляризационные) заряды в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации (поляризованность)
- •3.4. Условия на границе раздела двух диэлектриков
- •3.5. Электрострикция. Пьезоэлектрический эффект. Сегнетоэлектрики, их свойства и применение. Электрокалорический эффект
- •3.6. Основные уравнения электростатики диэлектриков
- •Лекция 4. Энергия электрического поля
- •4.1. Энергия взаимодействия электрических зарядов
- •4.2. Энергия заряженных проводников, диполя во внешнем электрическом поле, диэлектрического тела во внешнем электрическом поле, заряженного конденсатора
- •4.3. Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля
- •4.4. Силы, действующие на макроскопические заряженные тела, помещенные в электрическое поле
- •Лекция 5. Постоянный электрический ток
- •5.1. Постоянный электрический ток. Основные действия и условия существования постоянного тока
- •5.2. Основные характеристики постоянного электрического тока: величина /сила/ тока, плотность тока. Сторонние силы
- •5.3. Электродвижущая сила (эдс), напряжение и разность потенциалов. Их физический смысл. Связь между эдс, напряжением и разностью потенциалов
- •Лекция 6. Классическая электронная теория проводимости металлов. Законы постоянного тока
- •6.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах
- •6.2. Электрическое сопротивление проводников. Изменение сопротивления проводников от температуры и давления. Сверхпроводимость
- •6.3. Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное. Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам
- •6.3.1. Последовательное соединение сопротивлений
- •6.3.2. Параллельное соединение сопротивлений
- •6.3.3. Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам
- •6.4. Правила (законы) Кирхгофа и их применение к расчету простейших электрических цепей
- •6.5. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах
- •6.6. Энергия, выделяющаяся в цепи постоянного тока. Коэффициент полезного действия (кпд) источника постоянного тока
- •Лекция 7. Электрический ток в вакууме, газах и жидкостях
- •7.1. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия
- •7.2. Вторичная и автоэлектронная эмиссия
- •7.3. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации
- •7.3.1. Несамостоятельная и самостоятельная проводимость газов
- •7.3.2. Закон Пашена
- •7.3.3. Виды разрядов в газах
- •7.3.3.1. Тлеющий разряд
- •7.3.3.2. Искровой разряд
- •7.3.3.3. Коронный разряд
- •7.3.3.4. Дуговой разряд
- •7.4. Понятие о плазме. Плазменная частота. Дебаевская длина. Электропроводность плазмы
- •7.5. Электролиты. Электролиз. Законы электролиза
- •7.6. Электрохимические потенциалы
- •7.7. Электрический ток через электролиты. Закон Ома для электролитов
- •7.7.1. Применение электролиза в технике
- •Лекция 8. Электроны в кристаллах
- •8.1. Квантовая теория электропроводности металлов. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов
- •8.2. Явление сверхпроводимости с точки зрения теории Ферми-Дирака
- •8.3. Электропроводность полупроводников. Понятие о дырочной проводимости. Собственные и примесные полупроводники. Понятие о p-n – переходе
- •8.3.1. Собственная проводимость полупроводников
- •8.3.2. Примесные полупроводники
- •8.4. Электромагнитные явления на границе раздела сред
- •8.4.2. Фотопроводимость полупроводников
- •8.4.3. Люминесценция вещества
- •8.4.4. Термоэлектрические явления. Закон Вольта
- •8.4.5. Эффект Пельтье
- •8.4.6. Явление Зеебека
- •8.4.7. Явление Томсона
- •Заключение
- •Библиографический список Основной
- •Дополнительный
3.4. Условия на границе раздела двух диэлектриков
Р ассмотрим связь между векторами E и D на границе раздела двух диэлектриков, предположив, что они изотропные и однородные (диэлектрические проницаемости которых 1 и 2) при отсутствии на границе раздела свободных зарядов.
На границе раздела диэлектриков с относительными диэлектрическими прони-цаемостями 1 и 2 построим небольшой замкнутый прямоугольный контур длиной l = 2a + 2b, ориентировав его так, как показано на рис. 3.8.
Согласно теореме о циркуляции вектора напряженности электрического поля , имеем
, (3.20)
где знаки интегралов по a - разные, так как пути интегрирования противоположны, а интегралы по участкам b - ничтожно малы.
Поэтому
. (3.21)
Заменив проекции вектора E проекциями вектора D, деленным на o, получим
. (3.22)
П остроим прямой цилиндр малой высоты на границе раздела двух диэлектриков. Одно основание цилиндра пусть находится в первом диэлектрике, другое - во втором (рис. 3.9). Основания S настолько малы, что в пределах каждого из них вектор D одинаков. Согласно теореме Остроградского-Гаусса, так как нормали n1 и n2 к основаниям цилиндра направлены противоположно, будем иметь
. (3.23)
Это означает, что
. (3.24)
Заменив проекции вектора D на проекции вектора E, умноженные на o, получим
. (3.25)
Таким образом, при переходе через границу раздела двух диэлектриков тангенциальная составляющая вектора E (Et) и нормальная составляющая вектора D (Dn) не претерпевают скачка, а нормальная составляющая вектора E (En) и тангенциальная составляющая вектора D (Dt) претерпевают скачок.
Из условий (3.24, 3.25) для составляющих векторов E и D вытекает, что линии этих векторов испытывают преломление на границе раздела двух диэлектриков.
Установим связь между углами 1 и 2 при условии 2>1. Разложим векторы E1 и E2 у границы раздела на тангенциальные и нормальные составляющие. Согласно тому, что и ,
следует
. (3.26)
Учитывая записанные выше условия, получим закон преломления линий напряженности E (а значит, и линий индукции электрического поля D):
. (3.27)
Соотношение (3.27) показывает, что, входя в диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью, линии векторов E и D удаляются от нормали и ведут себя по-разному, что ранее постулировалось.
3.5. Электрострикция. Пьезоэлектрический эффект. Сегнетоэлектрики, их свойства и применение. Электрокалорический эффект
При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле на заряды его молекул действуют силы, которые деформируют диэлектрик, создают внутренние механические напряжения. Деформация диэлектрика оказывается пропорциональной квадрату напряженности электрического поля. Это явление получило название "электрострикция". Электрострикция обусловлена поляризацией диэлектриков в электрическом поле и наблюдается у твердых, жидких и газообразных диэлектриков. Электрострикцию следует отличать от так называемого обратного пьезоэффекта. При обратном пьезоэффекте деформация диэлектрика пропорциональна напряженности электрического поля.
В изотропных средах, в том числе в газах и жидкостях, электрострикция наблюдается как изменение плотности под действием электрического поля.
В анизотропных кристаллах электрострикцию можно описать зависимостью между двумя тензорами 2-го ранга - тензором квадрата напряженности электрического поля и тензором деформации. Рассмотрение электрострикции в таких кристаллах выходит за рамки данного курса.
Деформация диэлектрика в однородном внешнем электрическом поле может быть вызвана переориентацией диполей (молекул) и изменением электрического дипольного момента молекул, изменением взаимодействия между ними. В неоднородном внешнем электрическом поле диполи (молекулы) диэлектрика втягиваются (или выталкиваются) в область более сильного поля. Следовательно, на закрепленный диэлектрик будут действовать силы, вызывающие деформацию диэлектрика, зависящую от степени неоднородности электрического поля.
В большинстве диэлектриков поляризация появляется и исчезает с появлением и исчезновением внешнего электрического поля.
Однако некоторые кристаллические диэлектрики, названные (по наиболее яркому представителю сегнетовой соли) сегнетоэлектриками, обладают рядом специфических свойств, которые позволяют их выделить в особую группу.
К сегнетоэлектрикам относятся диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью даже в отсутствие внешнего электрического поля.
С труктуру сегнетоэлектрика в отсутствие внешнего электрического поля можно представить в виде областей спонтанной поляризации (доменов), т.е. областей (микрообъемов), в которых векторы поляризации имеют различные направления. В результате в целом электрический дипольный момент диэлектрика равен нулю (рис. 3.10).
При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по направлению внешнего электрического поля. Возникшее электрическое поле доменов поддерживает ориентацию дипольных моментов доменов даже после прекращения внешнего электрического поля (рис. 3.11).
Основными свойствами сегнетоэлектриков являются:
а) диэлектрическая проницаемость их гораздо больше единицы (>>1);
б ) диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженности внешнего электрического поля (рис. 3.12);
в) во внешнем электрическом поле сегнетоэлектрики поляризуются до насыщения, т. е. до такого состояния, при котором дальнейшее изменение напряженности электрического поля не изменяет вектор поляризации (рис.3.13);
г ) во внешнем циклически изменяющемся электрическом поле им присуще явление гистерезиса, сложная зависимость вектора поляризации от напряженности электрического поля. Изменение вектора поляризации запаздывает по отношению к изменению напряженности электрического поля (рис. 3.14);
д) по своему строению сегнетоэлектрики представляют скопление областей спонтанной поляризации (доменов), электрические дипольные моменты которых имеют хаотические ориентации вектора P (рис.3.10, 3.11);
е) при нагревании сегнетоэлектриков до определенной температуры Тк, характерной для каждого сегнетоэлектрика, они теряют все свои специфические свойства и превращаются в обычные полярные диэлектрики. Точка фазового перехода из состояния сегнетоэлектрика в состояние полярного диэлектрика называется точкой Кюри, а соответствующая ей температура Тк - температурой Кюри. В некоторых случаях имеются две точки Кюри - сегнетоэлектрические свойства исчезают также и при понижении температуры. Сегнетоэлектриков с двумя точками Кюри сравнительно немного. Большинство имеет лишь верхнюю точку, называемую просто точкой Кюри.
При переходе диэлектрика из сегнетоэлектрического состояния в состояние полярного диэлектрика диэлектрическая проницаемость изменяется непрерывно от значения, соответствующего сегнетоэлектрическому состоянию, до значения, соответствующего состоянию полярного диэлектрика.
Закон изменения диэлектрической восприимчивости вблизи температуры Кюри имеет вид
, (3.28)
где A – некоторая константа;
To – температура Кюри – Вейса, близкая к температуре Тк (в большинстве случаев вместо Тo используют Тк, что не вносит сколько-нибудь существенных погрешностей в для температур, отличных от Тк). Закон, выражаемый формулой (3.28), называется законом Кюри-Вейса.
У кристаллов диэлектрические свойства неодинаковы по различным направлениям, и поэтому их диэлектрическая восприимчивость характеризуется не скалярной диэлектрической восприимчивостью , а тензором диэлектрической восприимчивости ij. Однако зависимость компонент тензора от температуры имеет тот же характер.
Помимо сегнетоэлектриков имеются многочисленные кристаллы, на поверхности которых при деформациях возникают электрические заряды. Такие кристаллы называются пьезоэлектриками. Возникающие при деформации поверхностные заряды имеют различные знаки на различных частях поверхности. К числу пьезоэлектриков относят кварц, турмалин, сегнетовую соль и многие другие.
Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы. Под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем кристаллическая подрешетка из отрицательных ионов. В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов. Поляризованность в первом приближении прямо пропорциональна деформации, а деформация кристалла, в свою очередь, прямо пропорциональна силе. Следовательно, поляризованность прямо пропорциональна приложенной силе. Между разноименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, которую можно измерить, а по ее значению сделать заключение о величине деформаций и приложенных силах, что находит многочисленные практические применения. Например, имеются пьезоэлектрические датчики для измерения быстропеременных давлений. Известны пьезоэлектрические микрофоны, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике и т.д.
Помимо прямого пьезоэффекта в пьезоэлектриках существует обратный пьезоэффект. Он состоит в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется. Его существование следует из наличия прямого эффекта и закона сохранения энергии. При деформировании пьезоэлектрика работа затрачивается на образование энергии упругой деформации и энергии возникающего при этом в результате пьезоэффекта электрического поля. Следовательно, при деформировании пьезоэлектрика необходимо преодолевать дополнительную силу, кроме силы упругости кристалла, которая препятствует деформации и является фактором, обусловливающим обратный пьезоэффект. Чтобы компенсировать дополнительную силу, надо приложить внешнее электрическое поле, противоположное тому, которое возникает в пьезоэффекте. Таким образом, для получения некоторой деформации пьезоэлектрика под влиянием внешнего электрического поля необходимо, чтобы оно было равно, но противоположно направлено тому полю, которое при данной деформации возникает в результате прямого пьезоэлектрического эффекта. Механизм обратного пьезоэлектрического эффекта аналогичен механизму прямого пьезоэффекта. Под действием внешнего электрического поля кристаллические подрешетки положительных и отрицательных ионов деформируются различным образом, что и приводит к деформации кристалла.
Обратный пьезоэлектрический эффект также имеет многочисленные практические применения, в частности широкое применение получили кварцевые излучатели ультразвука.
У некоторых пьезоэлектриков подрешетка положительных ионов оказывается смещенной относительно подрешетки отрицательных ионов в состоянии термодинамического равновесия, в результате чего такие кристаллы оказываются поляризованными при отсутствии внешнего электрического поля. Их называют пироэлектриками.
Обычно наличие спонтанной поляризации маскируется свободными поверхностными зарядами, появляющимися на поверхности кристалла из окружающей среды под действием электрического поля, связанного со спонтанной поляризацией. Данный процесс происходит до тех пор, пока электрическое поле не будет полностью нейтрализовано. Однако при изменении температуры образца, например при нагревании, происходит смещение ионных подрешеток друг относительно друга, в результате чего изменяется спонтанная поляризованность и на поверхности кристалла появляются электрические заряды. Возникновение этих зарядов называется прямым пироэлектрическим эффектом.
Всякий пироэлектрик является пьезоэлектриком, но не всякий пьезоэлектрик является пироэлектриком. Это связано с тем, что у пироэлектрика имеется выделенное направление, вдоль которого существует спонтанная поляризация, а у пьезоэлектрика такого выделенного направления нет.
Наблюдается также и обратный пироэлектрический эффект: изменение электрического поля в адиабатно изолированном пироэлектрике сопровождается изменением его температуры. Необходимость его существования может быть доказана на основе термодинамического анализа процесса и продемонстрирована экспериментами. Обратный пироэлектрический эффект иногда называют электрокалорическим эффектом.
При электрокалорическом эффекте в пироэлектриках изменение температуры пропорционально изменению напряженности электрического поля, в других веществах наблюдается лишь меньший по величине квадратичный электрокалорический эффект.
Существуют диэлектрики, которые длительно время сохраняют поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию, и создающие электрическое поле в окружающем пространстве (электрические аналоги постоянных магнитов). Такие диэлектрики получили название "электреты".
Если вещество, молекулы которого обладают дипольным моментом, расплавить и поместить в сильное электрическое поле, то его молекулы частично выстроятся по направлению поля. При охлаждении расплава в электрическом поле и последующем выключении поля в затвердевшем веществе поворот молекул затруднен, и они длительное время будут сохранять преимущественную ориентацию.
Первый электрет был таким методом изготовлен в 1922 г. японским физиком Ёгучи.
При изготовлении электретов в диэлектрик могут переходить носители заряда из электродов или межэлектродного пространства. Носители могут быть созданы и искусственно, например облучением электронным пучком.
Стабильные электреты получают различными методами:
нагревания, а затем охлаждения в сильном электрическом поле (термоэлектреты);
освещения в сильном электрическом поле (фотоэлектреты);
облучения, радиоактивного излучения (радиоэлектреты);
поляризации в сильном электрическом поле без нагревания (электроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэлектреты);
при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты);
механической деформации полимеров (механоэлектреты);
трения (трибоэлектреты);
действием поля коронного разряда (короноэлектреты).
Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд.
Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и др.), а также как чувствительные датчики в устройствах дозиметрии, электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и др. Фотоэлектреты применяются в электрофотографии.